PA热熔胶颗粒的压缩空气干燥模型_黄欣然.pdf

塑料工业 第 卷第 期 年 月材料测试与 应 用 热熔胶颗粒的压缩空气干燥模型黄欣然，朱建晓，王 克，杨 洁，包建东，（南京理工大学自动化学院，江苏 南京；苏州康尼格电子科技股份有限公司，江苏 常熟）摘要：针对塑料工业中塑料颗粒干燥问题，研究了以压缩空气作为风源的热风干燥特性及其数学模型，为聚酰胺（）热熔胶颗粒干燥工艺提供参考。采用正交试验探索温度及风压对干燥的影响，比较了 种薄层干燥模型的适用性。结果得出不同风温下的水分有效扩散系数 为.。热熔胶颗粒的干燥活化能 为.。描述干燥特性的最佳模型为 模型，并进一步给出了.风压下与温度相关的干燥数学模型。关键词：聚酰胺热熔胶；塑料颗粒；压缩空气；干燥特性；干燥模型中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）：.开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；.，.，）：，.，.：；塑料工业中，聚酰胺（）热熔胶被广泛应用于电子器件封装保护，其具有吸湿特性，外加气候环境影响，工业实际使用时塑料粒子水分含量远远无法达到成型要求。粒子内水分在塑化过程中因高温生成气体混入胶液，直接影响产品的内在质量与表观质量，易造成产品强度低、气泡以及缩水等问题。使用前对 热熔胶颗粒进行干燥将会提高产品质量、降低生产成本、增加经济效益，对精密仪器封装保护时尤为重要。国内外干燥工艺目前有热风干燥、微波干燥、红外干燥以及真空干燥等方式。随着干燥技术迅速发展，节省时间与能源成为干燥过程关心的主要问题。本研究以注射成型允许最高水分含量为.的 热熔胶颗粒为原料，采用低露点的压缩空气作为风源进行热风干燥，通过正交实验分析 热熔胶颗粒在不同风温、风压条件下的压缩空气热风干燥特性，并通过数据分析建立热风干燥动力学模型。为 热熔胶颗粒的干燥模型、干燥工艺以及干燥设备优化提供参考。干燥模型建立.物料含水率与水分比干燥过程中湿物料的质量随时间变化，而绝干物料的质量恒定不变，因而在干燥的物料衡算中，通常采用干基含水率：（）式中，物料干基含水率，；湿物料总质量，；绝干物料质量，。通信作者：包建东，男，年生，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为智能仪器、水下导航、目标探测与辨识技术。作者简介：黄欣然，男，年生，硕士研究生，研究方向为控制工程、电子信息工程。第 卷第 期黄欣然，等：热熔胶颗粒的压缩空气干燥模型衡量物料水分含量的水分比（）计算公式如下：（）式中，干燥平衡后物料含水率，本研究 热熔胶颗粒干燥平衡后物料含水率取.；初始物料含水率即未干燥状态下物料含水量，故 初始值为，数值范围为 。上述物料含水量在试验中均可通过卤素水分仪测量得出。.有效扩散系数与活化能 热熔胶颗粒的压缩空气干燥过程为降速干燥过程，干燥过程中粒子内水分因内外湿份浓度梯度以液态形式产生扩散迁移，其干燥特性可以通过 扩散定律来描述，当 热熔胶颗粒为矩形物体，且初始水分分布均匀，则其方程的解可以表示为：（）（）()（）式中，水分有效扩散系数，；热熔胶颗粒厚度的一半，；干燥时间，；级数。干燥周期较长时，式（）可简化至级数的第一项：（）则 热熔胶颗粒的水分有效扩散系数可根据试验数据拟合后的曲线斜率得出，经过多次试验取平均值可得出各条件下的水分平均有效扩散系数。有效扩散系数的温度依赖性可以用阿伦尼乌斯型关系表示为：（.）（）式中，阿伦尼乌斯方程指数前因子，；活化能，；气体常数，.（）；热风温度，。将式（）取对数可转换为：（.）（）由式（）可知，（.）直线斜率为，而 为常数，通过对上述试验数据所得 的与 （.）曲线进行线性拟合后的直线斜率计算可得活化能。.干燥模型建立干燥模型时，对于物料所含水分的干燥动力学特性，通常采用薄层干燥模型描述。几种常用的薄层干燥模型，如表 所示。表 薄层干燥模型）序号模型名称模型方程参数（）（），（），（），（），（）（）（），（）（），（），幂方程模型，复合模型，注：）表中，干燥时间，；、等参数均为待定值。采用 软件对 热熔胶颗粒的压缩空气热风干燥试验数据进行非线性回归分析，使用决定系数与残差平方和（）作为拟合结果的分析指标，以此评判以上模型描述干燥特性的优劣程度，和 的计算公式如下所示：（，）（，）（）（，）（）式中，和，分别为第 个数据点的 模型预测值和实际试验所得；试验样本中数据点个数。试验方法以注射成型允许最高水分含量.的热熔胶颗粒 为原料，其形状为非标准柱形粒子，由于制造工艺问题，其截面多为矩形、梯形或不规则形状，为应用 扩散模型并简化计算过程，近似认为粒 子 截 面 相 同 且 面 积 相 等。通 过 测 量 粒 粒子，其平均值与误差见表，故近似认为其大小为.。表 热熔胶颗粒 形状平均值及其标准差 长 宽 高 平均值.标准差.试验前将胶料泡入水中 使胶料处于完全吸水状态，以保持试验胶料的初始含水量基本一致。采用控制变量的方法，分别在、和塑 料 工 业 年.、.、.风压下的风量条件下，对 热熔胶颗粒进行正交试验，每 取样一次，每次 放入卤素水分仪中测量干基水分含量，直至胶料水分值稳定。塑料粒子压缩空气热风干燥特性.温度对干燥性能的影响设置试验风压为.，热风温度分别为、，对 热熔胶颗粒进行干燥试验。根据试验结果，热熔胶颗粒的干燥过程水分比与干燥时间呈指数关系。不同热风温度下粒子水分变化曲线如图 所示，随着热风温度升高，热熔胶颗粒表面水分挥发速度加快，粒子内外水分形成较大的浓度梯度，内部水分传质扩散速度提高，干燥时间随之变短。以上温度干燥时，约 便可将 热熔胶颗粒干燥至.。图 不同温度下粒子水分变化曲线 .风压对干燥性能的影响图 不同风压下粒子水分变化曲线 设置试验热风温度为 ，通过电气比例阀调节风压分别为.、.、.，对 热熔胶颗粒进行干燥试验。不同风压下粒子水分变化曲线如图 所示，随着风压增大，热风风速增大，水分的变化速度呈缓慢增大趋势；当风压为.时，热风不能提供充足的传质驱动力，干燥速度较低；.风压与.风压的水分比变化曲线基本重合，此时增大热风风压无法有效提高传质驱动力，干燥速度基本稳定。综合能耗、环境等因素考虑，.为较为合理的干燥风压参数。.干燥水分有效扩散系数与活化能分析水分有效扩散系数可表示 热熔胶颗粒内水分迁移速度，重复试验后根据式（）、（）可得不同风温下 热熔胶颗粒的有效扩散系数平均值，如表 所示。随着风温升高，水分平均有效扩散系数增大，.条件下 压缩空气热风干燥的有效扩散系数范围为.，根据式（）可得 （.）曲线，根据拟合直线斜率 计算出 热熔胶颗粒的干燥活化能为.，拟合评价指标为.。表 温度影响下平均有效扩散系数平均值温度 （）.最适干燥动力学模型建立.干燥模型的拟合建立干燥模型时，对于物料所含水分的干燥动力学特性，通常采用薄层干燥模型描述。利用软件 将表 中 种常用薄层干燥模型分别对不同风温（）、不同风压（.）的 热熔胶颗粒水分变化曲线进行非线性分析，得到各个模型的评价指标平均值，拟合结果见表。表 薄层干燥模型拟合结果）模型名称模型方程评价指标平均值（）.（）.（）.（）.（）.（）（）（）.（）（）.（）幂方程模型.复合模型.注：）表示非线性拟合不成功。第 卷第 期黄欣然，等：热熔胶颗粒的压缩空气干燥模型.最适干燥模型及参数设风压为固定值.，通过 中相关性检测对 模型中三个参数与温度的线性相关性进行检验，参数 （置信度.）、（置信度.）与温度呈线性关系，而 与温度线性关系不大，在 中对表 中数据进行非线性拟合回归得：.（.）（）.（.）（）.（.）（）式中，温度，。将、三个参数代入 模型可得：（.）（.）.（）表 模型拟合结果 风压 温度 模型参数评价指标.模型验证以相同原料，设定风压为.，压缩空气热风温度分别设定为、进行干燥验证实验，实验获得水分比实际值与模型预测值见图。由图 可知，验证实验获得的 实际数据与模型 预测值基本重合，表明该数学模型可以准确描述 热熔胶颗粒压缩空气热风干燥过程中的水分干燥特性。图 实测值与模型预测值随时间变化曲线 结论）压缩空气热风干燥试验表明，使用压缩空气作为风源能够有效缩短干燥时间，热风温度对干燥影响明显，以上温度仅约 便可满足成型要求；风压对干燥有一定影响，但风压为.以上时，风压对干燥影响较小，出于节能考虑使用时可固定设置风压为.。）根据干燥试验 曲线，得到不同风温下 热熔胶颗粒水分有效扩散系数的范围为.；根据 （.）直线斜率计算出 热熔胶颗粒的干燥活化能为.，拟合评价指标为.。）将 种薄层干燥模型分别对不同条件下的 热熔胶颗粒水分比变化曲线进行非线性分析，得出 模型最适合描述 热熔胶颗粒的干燥过程，其平均评价指标 为.，为.。根据不同温度的 模型计算出模型中参数与温度的关系，得出.风压下有关温度的具体模型：（.）（.）.模型可用于预测 热熔胶颗粒的压缩空气干燥特性曲线，为 热熔胶颗粒的压缩空气干燥工艺提供参考。参 考 文 献 肖周志，马国亭 塑料成型技术及成型不良问题解决方法 模具制造，（）：，（）：，（）：张中平 连续式微波干燥控制系统的研究与设计 哈尔滨：东北农业大学，：，李月军 塑料加工过程中的红外加热技术简介 塑料工业，（）：，（）：吴本刚，钱礼顺，刘美娟，等 莴苣红外杀青热风、真空脉动干燥技术研究 食品工业，（）：，（下转第 页）第 卷第 期张志广，等：超高分子量聚乙烯塑料基体负重轮轻量化技术研究，：（）：，王瑞，高曙明，吴海燕 六面体网格生成和优化研究进展 计算机辅助设计与图形学学报，（）：，（）：蒋轩，郑慕侨 负重轮橡胶轮缘有限元分析及力学特性拟合 北京理工大学学报，（）：，（）：闫清东，张连第，赵毓芹，等坦克构造与设计（下册）北京：北京理工大学出版社，：，（.）：，：毛明，张亚峰，杜甫，等 高机动履带车辆行驶系统中的 个科学技术问题 兵工学报，（）：，（）：（本文于 收到）（上接第 页），（）：许晴晴，陈杭君，郜海燕，等 真空冷冻和热风干燥对蓝莓品质的影响 食品科学，（）：，（）：吴敏，段豪，王振文，等 基于温湿度控制的红外热风联合干燥机设计与试验 农业机械学报，（）：，（）：钟浩文 天然橡胶干燥过程研究 昆明：昆明理工大学，：，“”，（）：，（）：关志强，王秀芝，李敏，等 荔枝果肉热风干燥薄层模型 农 业 机 械 学 报，（）：，（）：，（），（）：陈民，余和平，邓东华，等 环氧化天然橡胶干燥动力学模型的研究 热带农业科技，（）：，（）：，（）：（本文于 收到）